工作模态控制解耦的塔形直线超声电机.pdf

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1、第35卷第1期振动、测试与诊断VoL35NO．12015年2月JournalofVibration，Measurement&DiagnosisFeb．2O15工作模态控制解耦的塔形直线超声电机陈乾伟，鞠全勇，黄卫清，时运来(1．金陵科技学院机电工程学院南京，211169)(2．南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室南京，210016)摘要针对现有塔形超声电机无法相互独立控制法向和切向振动等实际应用问题，提出了一种工作模态控制解耦的塔形直线超声电机。塔形电机设计有两个非共面的正交工作模态，分别为用于独立控制法向振动的z—面内对称振动模态以及用于独立控制切向振动的Y—z面内弯

2、振模态。相应设计了压电陶瓷片的极化布置方案，即塔形电机的压电陶瓷片分为A，B两相，其中A相用于激励z—面内对称振动模态，B相用于激励面内弯振模态。通过对电机A，B两相相互独立控制就可以实现两个非共面正交工作模态的控制解耦。实验表明，在解耦控制条件下，当A相电压固定为400V，B相电压在0~400V变化时，电机运行速度与B相电压成正比，最大运行速度为420mm／s，最小运行速度为23mm／s。关键词工作模态；控制解耦；超声电机；压电中图分类号TM356；TB55；THi382)电机定子具有相似的结构。定子含有若干引言个(≥2)在空间均布的压电振子，这些均布的压电振子之间相互平行或具有

3、一定的夹角，压电振子在端直线超声电机(1inearultrasonicmotor，简称部被连接为一体并形成驱动足。笔者将这种拓扑结LUSM)是利用压电陶瓷元件的逆压电效应激发出构称为“塔形”结构。该结构具有“聚焦”能量的优定子的超声振动，并利用定子和动子之间的摩擦作点，能够有效地将振动能传递到定子的驱动足。用，把定子的微幅振动转化成动子宏观直线运动的正是因为上述5种超声电机都具有优良的性作动器。它具有低速大力矩、断电自锁、无电磁干能，已经产业化并有许多实际应用l6。。。但是，共面扰、定位和速度控制精度高等优点，在精密驱动和特的对称和反对称振动模态在电机的输出性能控制方殊环境等领域有

4、着广泛的应用l1]。面存在不足。这是因为共面的对称振动模态用于提目前，应用于精密驱动等领域的直线超声电机供驱动足端面质点的法向振动，共面的反对称振动原理多样、形式各异，但大多数电机是两正交工作模模态用于提供驱动足端面质点的切向振动，两者动态驱动的驻波型电机，其中基于面内工作模态的超态合成驱动足端面质点的椭圆运动轨迹。在超声电声电机成为了研究热点。例如：文献[6]研制的机运行过程中，构成椭圆运动轨迹的法向和切向振“shakingbeam”直线超声电机；Kurosawa等研制动对电机输出性能的贡献是不同的。法向振动的作的V形直线超声电机；姚志远等_8研制的双变幅杆用：a．通过改变定动子

5、之间的动态压力进而控制定直线超声电机；金家楣等]研制的方尖塔形超声电动子之间的摩擦力．b．使定动子周期性的接触和脱机以及时运来等口。。研制的蝶形直线超声电机。以离，从而将定子端面质点的微观振动转换为动子正上5种超声电机具有以下优点。向或反向的宏观运动。切向振动用于驱动负载，输1)电机的两个正交工作模态分别为共面的对出功率。可见，实现驱动端面质点椭圆运动轨迹的称和反对称振动模态。由于共面的对称和反对称振法向和切向振动相互独立地控制，对于超声电机输动模态为近型模态，因此采用这两个正交工作模态出性能的控制具有重要意义l1。的超声电机具有较好的频率一致性。由于现有“塔形”结构超声电机的工作

6、模态均为*国家自然科学基金资助项目(51375224，51275235)；金陵科技学院青年教师科研基金资助项目(Jit—b一201318)收稿日期：2014—04—24；修回日期：2014—05111O8振动、测试与诊断第35卷共面的对称和反对称振动模态，这两种模态在控制上是相互耦合的，无法实现法向和切向振动相互独立地控制。针对此问题，笔者提出了一种工作模态控制解耦的含“塔形”结构定子的直线超声电机。1电机设计1．1塔形定子设计(a)X-Z图1为笔者设计的塔形定子结构示意图。塔形(a)Symmetric定子含有两个正方形截面的柱形结构，这两个柱形／-结构在端部被锥形的驱动足联接，两

7、个柱形结构的外表面黏贴有压电陶瓷片。(b)_z面内弯振模态(b)Bendingvibrationmodeiny-zplane图2塔形定子的工作模态Fig．2Thetower—typestatorsoperatingmode图1塔形定子结构示意图Fig．1Schematicdiagramofthetower-typestatorsA相sin信号信号为了保证定子的两个正交工作模态控制解耦，选择如图2所示的两个非共面的正交模态作为塔形定子的工作模态：一个是具有局部弯振模态的